The development of heat storing nanocomposite nanofibers

Abstract

Son yıllarda giderek değişen iklim koşulları ve buna bağlı olarak değişen çevre şartları nasıl binalarda, güneş enerji sistemlerinde ısı yönetimi yapabilmenin önemini arttırdı ise tekstil endüstrisininde de gerek teknik ve akıllı teksil uygulamarında gerekse günlük giysi olarak tekstil kullanımında ısı yönetiminin önemini, gereksinimini arttırmıştır. Isı yönetimi yapabilme amacı ile otomatik olarak çevreye uyum sağlama yeteneğine sahip olan lif ve diğer tekstil ürünleri giderek dikkat çekmektedir ve bu konuya olan ilgi giderek artmaktadır. Bununla beraber enerji depolama kapasitesi ve ısıl kararlılığı yüksek, çok ince ve esnek malzemelerin üretilebilmesine yönelik bilimsel ve endüstriyel ilgi giderek önem kazanmaktadır ve elektroeğirme yöntemi sahip olduğu üstün özellikleri ile bu kapsamda son yıllarda öne çıkmaktadır. Faz değiştiren malzeme (FDM) kullanımı ile tekstil ürünün ısı yönetimi yapabilme kabiliyetini geliştirmek mümkün olabilmektedir ve bu kapsamda yapılan çalışmalar giderek artan ilgi ve önemle devam etmektedir. FDM'ler belli sıcaklık aralıklarında katı-katı veya katı-sıvı faz geçişi sırasında ortamdan ciddi bir oranda enerji absorplayıp, depolayabilen ve depoladığı bu enerjiyi geri salabilen özelliğe sahip malzemelerdir. Bu nedenle güneş enerji sistemlerinde, binalarda, termoregülasyon tesislerinde, gıda ve kan taşımada, sıcak-soğuk terapilerinde çok geniş kullanım alanı bulan faz değiştiren malzemeler (FDM) tekstilde de spor giysisi, koruyucu giysi, ayakkabılarda termo regülasyon amaçlı kullanım alanına sahiptir. Isı yönetiminde FDM kullanımı hala güncel bir konudur ve bu kapsamda yapılan çalışmalar devam etmektedir.Bu çalışma, kullanım alanı giderek yaygınlaşan ve çalışmalarına halen devam edilmekte olan elektroğirme yöntemi ile ısı depolayabilen nanolif ağların üretilebilme olanaklarını araştırması bakımından farklılık göstermektedir. Çalışmada, tekstil lifi olarak çok yaygın kullanım alanı bulunan akrilik liflerin hammaddesi olan PAN kopolimeri ile biyoesaslı ve yenilenebilir kaynaklardan üretilebilen organik FDM'ler kullanılarak eşeksenli çift düze sistemiyle donatılmış elektroeğirme tekniği ile kabuk/öz kompozit nanoliflerden oluşan nanoağlar üretilmiştir. Ek olarak FDM aşılanmış PAN kompozit yapılı nanoliflerden oluşan nanoağ üretimi de gerçekleştirilmiştir.PAN lifleri sahip oldukları iyi mekanik özellikleri, kimyasal kararlılığı, yüksek nem yönetim kabiliyeti sayesinde kabuk malzemesi olarak tercih edilmiştir. Öz malzeme olarak kullanılmak üzere FDM'lerden polietilen glikoller (PEG), polietilen glikol metil eterler (PEGME) ve parafin vaksları (n-alkan) sahip oldukları yüksek ısı kapasiteleri, kimyasal ve termal kararlılıkları, ekolojik olarak zararsız olma özellikleri bakımından tercih edilmişlerdir. Deneysel çalışma; elektroeğirmede kullanılacak kabuk ve öz malzemeler için laboratuvar ortamında uygun çözücü ve derişimlerinin belirlenmesi, hazır alınan PAN kopolimerinin yanısıra kabuk malzemesi olarak kullanılması tasarlanan FDM aşılanmış PAN polimerinin özgün reçete oluşturularak sentezlenmesi ve üretilen malzemenin karakterizasyonun yapılması, kullanılacak kabuk/öz varyasyonlarının belirlenerek PAN/FDM bikomponent nanoliflerin eş eksenli çift düze sistemiyle kontrollü şartlar altında elektroeğrilmeleri ve üretilen nanoağların karakterizasyonları kısımlarını içermektedir.Elektroeğirme parametreleri yapılan ön denemeler ve ince ayarlar sonucu her bir kabuk/öz için modifiye edilmiş ve Taylor konisi elde edilen aralıklar dikkate alınarak nanoağlar üretilmiştir. Yapılan denemeler sonucu kabuk malzemesi olarak diğerlerine nazaran daha iyi sonuç elde edilen %4 ve %6'lık PAN konsantrasyonları kullanılmıştır. Öz malzemeler için herbirinin kendi yapısı ve elektroeğirme uygulamasındaki kolaylık göz önüne alınarak iki farklı konsantrasyon kullanılmıştır. Isı depolayabilme özelliğine sahip içi boş nanaliflerden oluşan nanoağ yapılar elde etmek amacı ile sentezlenen FDM aşılanmış PAN kopolimerin çözeltisi, PAN kopolimer çözeltisi ile karıştırılarak kabuk malzemesi olarak kullanılmıştır.Çalışmada kullanılan tüm kabuk ve öz malzemeler ile üretilen nanoağların yapısal ve termal karakterizasyonları gerçekleştirilmiştir. Yapısal özellikler Fourier transform infrared spektrofotometre (FTIR), ısıl özellikleri diferansiyel taramalı kalorimetre (DSC) ile karakterize edilmiştir. Bunun yanı sıra sentezlenen polimerlerin nükleer manyetik rezonans (NMR) karakterizasyonları da gerçekleştirilmiştir. Üretilen nanoağların yüzey görüntüleri taramalı elektron mikroskop (SEM) analizi ile elde edilmiş ve bu görüntüler üzerinden ImageJ-DimaeterJ programları kullanılarak çap dağılım grafikleri oluşturulmuştur. Elektroeğirmede kullanılan kabuk ve öz malzemelerin viskozite ve iletkenlik ölçümleri de gerçekleştirilmiştir.Sentezlenen FDM aşılanmış PAN kopolimerinin, kullanılan FDM ve PAN ile karşılaştırmalı FTIR grafiği sonucunda göstermiş olduğu pikler sentezin başarılı bir şekilde gerçekleştirildiğini ortaya koymaktadır. NMR grafikleri de FTIR sonucunu destekler niteliktedir. Üretilen nanoğlar için de FTIR analizleri üretimde kullanılan ilgili kabuk ve öz malzeme dikkate alınarak karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analiz sonucunda tüm nanoağların üretildiği PAN ve FDM malzemesinin tipik dalga boylarına sahip olduğu ve hiçbir yeni pikin türemediği görülmüştür. Bu da kabuk ve öz malzemenin elektroeğirme sırasında birbirleri ile karışmadığını göstermektedir.SEM görüntüleri tüm nanoağların çoğunlukla boncuksuz, pürüzsüz ve silindirik nanlif yapılarına sahip olduklarını göstermiştir. Yapılan çap dağılım analizi de maksimum 900 nm'lere ulaşan ortalama çap değerleri ile malzemelerin nano boyutta üretilebildiğini destekler niteliktedir. Öz malzemelerin ısıl özelliklerini karakterize etmek için DSC cihazı ile gerçekleştirilen on ardışık ısıtma ve soğutma termal çevrim analizi sonucunda herbir FDM'nin kendi on termal çevrimi süresince hem ısıtma hem soğutma proseslerinde faz değişim aralıklarını ve entalpi değerlerini koruduklarını göstermiştir. Elde edilen sonuçlar kullanılan FDM'lerin termal kararlılığa sahip olduğunu ve elektroeğirme uygulamasına uygun olduklarını desteklemiştir. Üretilen nanoağların ısıl özellikleri dört ardışık ısıtma ve soğutma termal çevrimi ile karakterize edilmiştir. DSC grafikleri FTIR analizine benzer şekilde üretilen nanoağlar ile ilgili FDM baz alınarak karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. DSC analiz sonuçlarına göre, kontrol grubu olarak kullanılmaları amacı ile sadece PAN kabuk malzemesi kullanılarak üretilen nanoğlar hiçbir faz değişim ve entalpi değeri sergilemezken üretilen nanoğların ilgili FDM ile benzer faz değişim sıcaklık aralıklarında belirli entalpi değerine sahip oldukları görülmektedir. Bu sonuç ısı depolayabilme kabiliyitine sahip nanoağların üretildiğini destekler niteliktedir.Bu çalışma, literatürde de henüz çok yeni çalışma alanı olan PAN/FDM kombinasyonlarının elektroeğirme yöntemi ile nanolif üretiminde kullanımına farklı bir bakış açısı kazandırma adına özgün bir girişimi içermekte ve yeni çalışmalar açısından potansiyel arz etmektedir.

Thermal management applications are gained importance increasingly in the last decade due to the changings in climates, demand for developed energy conservation as well as improved thermal comfort. Thus, investigation and improvement cost effective, ecologically friendly and simple methods have been the focus of attention by researchers. Organic phase change materials (PCMs), which have the ability to absorb and release large quantities of latent heat during a phase change process, offer remarkable potential to fulfill the growing energy requirements for cooling and heating applications across various industries, including construction, refrigeration, textiles, packaging, solar energy systems, electronics and biomedical materials.A variety of encapsulating and storage processes have been applied to PCMs before integrating them into different composites to prevent their interaction with the surrounding medium, to increase their mechanical and thermal stabilities and to enhance their ease of handling. Recently, the electrospinning technique has been employed as a simple, convenient, and versatile technique for generating form-stable PCMs.In this study, production of bicomponent nanowebs, composed of polyacrylonitrile (PAN) shells and PCM cores were performed via coaxial electrospinning method. Moreover, PCM grafted PAN copolymers were synthesized with developing unique recipe than used as a shell material to produce composite hollow nanofibers.Polyacrylonitrile (PAN) was preferred for its very good thermal stability, high tensile strength and elastic modulus, low density, high moisture management and excellent thermal insulation properties. Polyethylene glycols (PEG), polyethylene glycol methyl ethers (PEGME) and paraffin waxes (n-alkane) were preferred as a PCM to use in the core because of their high latent heat capacities, chemical and thermal stabiliy and ecological friendly properties. The experimental part of the study consist of; determining the appropriate solvents and concentrations of shell and core solutions for electrospinning experiment, synthesis of PCM grafted PAN copolymer and characterizations of them, producing bicomponent nanowebs composed of PAN/PCM as a shell/core with using different concentrations of shell and core solutions, lastly characterizations of produced nanowebs. 4wt% PAN and 6wt% PAN solutions were chosen as a shell material due to better processibility and different concentrations of core materials were used related with their own properties. Synthesized grafted copolymer used in a mixture of shell solution to produce hollow nanofibers. After several trials and fine tuning electrospinning parameters were modified for each pair of shell/core combination. Structural and thermal characterizations of each core and shell material as well as produced nanowebs were performed. Structural properties were determined with fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and thermal behavior were carried out with differential scanning calorimetry (DSC). In addition, nuclear magnetic resonance (NMR) analysis were conducted for synthesized grafted copolymers. Surface images of produced nanowebs were characterized with scanning electron microscopy (SEM) and diameter distribution analysis also performed by ImageJ-DiameterJ program. Also conductivity and viscosity analysis were performed for core and shell solutions.The obtained structural and thermal characterization results showed that desired nanowebs having thermal management feature were achieved for all produced nanoweb composition.